تعمل أجهزة FETs من نيتريد الغاليوم (GaN) مع تثبيت الجهد الأساسي على تحقيق تصغير ملحوظ لمحولات التيار المتردد

[ad_1]

تعمل محولات التيار المتردد أو محولات الطاقة (أو المحولات)، والتي تسمى أيضًا أجهزة الشحن، على تحويل التيار المتردد (AC) من مأخذ الحائط إلى التيار المباشر (DC) في الأجهزة الإلكترونية المحمولة. نظرًا لأن المحولات عبارة عن معدات موجودة في كل مكان وتساهم في حشر حقيبة أي مسافر باستمرار، فيجب أن تكون صغيرة وخفيفة قدر الإمكان. وكيف يمكن تحقيق ذلك مع التقنيات الحالية؟

ورقة قدمت مؤخرا في منتدى التعاون الاقتصادي لآسيا والمحيط الهادئ (APEC) من قبل مؤلفين مشاركين من جامعة روم وسوجو¹، يوضح طريقة جديدة لإنجاز تصغير المحول باستخدام محولات GaN جنبًا إلى جنب مع تثبيت الجهد على الجانب الأساسي ومحول flyback غير المتماثل نصف الجسر (AHB) بتغذية 150 فولت يعمل بتردد تحويل 1 ميجاهرتز.

صعوبات في تقليص المحولات

يعد الحصول على أحجام أصغر دون المساس بالسلامة أو الكفاءة أو الموثوقية مهمة صعبة دائمًا. هناك عائقان رئيسيان في استهداف تصغير المحول. الأول يتضمن تصغير مكثف الإدخال الذي لم يتقدم لأن تردد التحويل الأعلى لا يساعد في هذه الحالة. ثانيًا، لا يزال تقليل حجم المحول يمثل تحديًا للمحولات المستوية نظرًا لأن العدد الأصغر من اللفات يؤدي إلى خسائر كبيرة في النواة. تسمح البنية التي اقترحها المؤلفون بتقليل حجم مكثف الإدخال ومحول AHB بنسبة 50% تقريبًا. تم تنفيذ الدائرة الكاملة بما في ذلك مثبت جهد التيار المتردد الأساسي ومحول AHB بجهد دخل يتراوح من 90 إلى 264 فولت تيار متردد، وخرج 20 فولت/3 أمبير.

طبولوجيا Flyback

يوضح الشكل 1 طوبولوجيا الطيران الارتجاعي العامة التي تعمل عن طريق تخزين الطاقة في مجال مغناطيسي خلال نصف دورة التبديل ثم نقل تلك الطاقة إلى الحمل خلال النصف الآخر. الشكل 2 يصور تحقيق دائرة AHB. يمكن لمحولات Flyback الاستفادة من محولات GaN لتحقيق التصغير عند الترددات المنخفضة، على سبيل المثال، 100 كيلو هرتز، نظرًا لمقاومتها المنخفضة المتأصلة لتقليل الخسائر. على العكس من ذلك، نظرًا لأن AHB يمكن أن يعمل بترددات عالية جدًا بسبب GaN FETs، يمكن جعل المحول أصغر عند حوالي 1 ميجا هرتز، مما يؤدي إلى عامل شكل أصغر. يشير الاسم “غير المتماثل” إلى عدم التوازن بين المحولين من حيث التعامل مع الجهد ومتطلبات القيادة بسبب حاجة المفتاح عالي الجانب إلى محرك بوابة عائمة وضغط الجهد العالي مقابل المفتاح المنخفض الجانب.

على الرغم من أن كلا الطوبولوجيتين قد حققتا درجة معينة من التصغير، إلا أنه لا تزال هناك بعض المشكلات، أولها هو حجم سعة الدخل Cin.

يتم تحديد سعة الإدخال Cin من خلال قدرتها على تخزين الطاقة عند أقل قيمة Vin ويرتبط جهد الصمود الخاص بها بأقصى قيمة Vin. وبعبارة أخرى، فإن تردد التبديل العالي لا يساعد في تحقيق التصغير. وينطبق الشيء نفسه على المحول الذي يجب أن يتحمل 400 فولت، ولكن عدد اللفات محدود في الهياكل المستوية، لذا فإن زيادة التردد غير فعالة وتؤدي إلى خسائر كبيرة في النواة. في المتوسط، في محول التيار المتردد النموذجي، يمثل السين حوالي 40% والمحول حوالي 45% من الحجم الإجمالي.

قاطع الجهد الأساسي

للتغلب على هذا العيب، يمكن اقتراح طوبولوجيا الدائرة التي تجمع بين مثبت الجهد الأساسي ومحول AHB بتغذية 150 فولت، والذي يمكن أن يقلل من حجم كل من مكثف الإدخال والمحول. يمكن تقليص المحول عن طريق تحويل محول AHB بسرعة 1 ميجاهرتز بمساعدة مفاتيح GaN بقدرة 150 فولت.

ترتبط الفكرة وراء تصميم مثبت الجهد بالطاقة المخزنة في المكثف، والتي تساوي ½ CV²، لذا فإن خفض الجهد عبره إلى النصف سيؤدي إلى تقليل حجم المكثف السائب بمقدار ¼، من الناحية النظرية. بشكل عام، وظيفة المشبك هي تحويل شكل موجة الجهد لأعلى أو لأسفل عن طريق تعديل مستوى التيار المستمر.

يظهر تنفيذ الدائرة في الشكل 3 حيث Qclp هو المشبك FET، ومكثف الإدخال Cin مخصص لتثبيت الجهد. عند الحد الأدنى من جهد الإدخال (حوالي 100 فولت تيار متردد)، يكون Qclp في وضع التشغيل الكامل للعمل في وضع إدخال المكثف التقليدي (الشكل 4 أ). عند الفولتية المدخلات الأعلى، يتم تنشيط أداة تثبيت الجهد كما هو موضح في الشكل 4ب. VAC’ هو جهد التيار المتردد المصحح، وIc هو تيار الشحن من خلال Cin. عندما يصل VAC إلى V1، يبدأ Ic بالتدفق لشحن Cin المقابل للزاوية a؛ لذلك، إذا كان T_½ هو نصف الفترة، المنتج aT_½ يمثل في الوقت المحدد. عندما يصل VAC إلى V2، يتم إيقاف تشغيل Qclp ويحدث هذا أثناء الزاوية (1-a) عند تفريغ Cin.

بمساعدة بعض المعادلات، من الممكن استخلاص الزاوية a كدالة لجهد المشبك V2؛ وCin وIc كدالة لـ V2. يتطلب محول التيار المتردد التقليدي 450 فولت مقابل 200 فولت من مكثف مشبك الجهد. وهذا يؤدي، كما قلنا من قبل، إلى تخفيض عامل ¼ أو ½ للاستخدامات العملية. بالتفصيل، عند استخدام المكثفات الإلكتروليتية 120 مللي فهرنهايت، يتقلص الحجم من 8,260 ملم³ إلى 3140 ملم³ التبديل من المكثفات 450 فولت إلى 200 فولت.

تغذية 150 فولت AHB

يتم تشغيل نصف الجسر بواسطة Q1 و Q2 (رقم القطعة GNE1040TB من Rohm) ويتم توصيل عقدة التبديل بمحول نسبة الدوران n=N1:N2 ومكثف الرنين Cr. المحول الموجود في الشكل مثالي لذلك يجب إضافة محاثة مغنطة Lm على التوازي مع N1. يتم توصيل محاثة التسرب Lkg على التوالي إلى N2 في الشكل. على الجانب الثانوي، يقوم الدايود بالتوصيل خلال فترة التوقف بسبب القطبية العكسية، مما يسمح بنقل الطاقة.

يمكن أن يعمل محول AHB في كل من “وضع الرنين الحالي” و”وضع التيار المستمر”. تبدو العملية الثانية أكثر ملاءمة بسبب أ) التحكم الجيد في PWM لمجموعة واسعة من جهد الخرج و ب) إمكانية تبديل الجهد الصفري (ZVS) عن طريق مغنطة التيار عند الحمل الخفيف وتيار محاثة التسرب عند الحمل الثقيل.

تحتوي المحولات المستوية المختارة من CoilCraft عادةً على عدد محدود من اللفات. شروط الحساب هي 12 دورة للمرحلة الابتدائية، ΔB بقيمة 70 طن متري، وتردد تبديل قدره 1 ميجاهرتز، وجهد ناقل الإدخال AHB يبلغ 400 فولت لإدخال التيار المتردد القياسي و150 فولت لمشبك الجهد. ونتيجة لذلك، يتطلب ناقل 400V نواة PL300، في حين يتطلب ناقل 150V حجم نواة PL160، وهو أصغر بـ 2.7 مرة من PL300. معادلات التصميم العامة مبينة أدناه.

حيث DB هو تأرجح التدفق المغناطيسي من الذروة إلى الذروة، V₀ هو جهد الخرج، D هي دورة العمل، T_{جنوب غرب} هي فترة التحول، أ_ه هي مساحة المقطع العرضي للنواة الفعالة، وN_ص هو عدد المنعطفات الأولية. والثانية هي معادلة ستاينميتز التجريبية المستخدمة في الغالب للإثارة الجيبية:

حيث 𝑃_أ𝑣هو متوسط ​​فقدان الطاقة بمرور الوقت لكل وحدة حجم بالميجاواط لكل سنتيمتر مكعب، و𝑓 هو التردد بالكيلوهرتز، وk، a، b معاملات تعتمد على المادة. إن فقدان النواة عند التردد العالي يرجع بالكامل تقريبًا إلى التيارات الدوامة وهو أهم قيد أساسي في معظم تطبيقات SMPS. لذلك، كمقايضة، يجب أن يقتصر تأرجح كثافة التدفق DB على أقل بكثير من B_قعد من منحنى التباطؤ BH .

خاتمة

تهدف الورقة المذكورة في هذه المقالة إلى تقليل حجم محولات التيار المتردد من خلال اعتماد طوبولوجيا الدائرة الهجينة التي تجمع بين أداة تثبيت الجهد الأساسي ومحول AHB. يؤدي تثبيت جهد مكثف الإدخال إلى 150 فولت تيار مستمر إلى تقليل حجم مكثف الإدخال بنسبة 50% ويمكن أيضًا تقليل المحول المستوي AHB بنفس المقدار بفضل مفاتيح 150V GaN FET التي تعمل عند 1 ميجاهرتز.

مراجع

¹ “تصغير محول التيار المتردد الذي تم تحقيقه بواسطة مشبك الجهد الأساسي مع محول AHB ذو الجهد المتوسط ​​(150 فولت)،” بقلم شويتشيرو موتوري، وتوشيوكي زايتسو، وأكيهيرو كاوانو من شركة ROHM Co., Ltd، وكيتا توكومارو، وكيميهيرو نيشيجيما من جامعة سوجو.

إن ما بعد الغاليوم نيتريد (GaN) FETs مع تثبيت الجهد الأساسي يحقق تصغيرًا ملحوظًا لمحولات التيار المتردد ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.

[ad_2]